Zasada działania tranzystorów i obliczanie elementów wzmacniaczy m.cz.

[Romekd]

Tymczasem pozwalam sobie wkleić rysunek z napięciami i prądami dla ostatniego tranzystora z przykładu 2 z prośbą o sprawdzenie

zagadka2_Radiowiec.jpg

Wszystko się zgadza, a wyniki są bardzo zbliżone do otrzymanych w przeprowadzonym przeze mnie pomiarze. Wyrazy uznania

Odpowiedź_2_R.png

Pozdrawiam
Romek

[Radiowiec]

Wszystko się zgadza, a wyniki są bardzo zbliżone do otrzymanych w przeprowadzonym przeze mnie pomiarze. Wyrazy uznania
Odpowiedź_2_R.png
Pozdrawiam
Romek

Serdecznie Dziękuję!
Pozdrowienia

[MarekSCO]

Marku, idąc dalej Twoim tokiem myślenia można byłoby uważać, że nie będziemy w stanie policzyć i zmierzyć prądu pobieranego w naszym domu przez elektryczny bojler, podgrzewający wodę, bez znajomości całej sieci elektrycznej i wszystkich włączonych w nią odbiorników prądu na linii od ostatniego domu do transformatora zasilającego sieć elektryczną naszego osiedla.

No to pójdźmy moim tokiem rozumowania Romku i zobaczmy, czy spotkamy się przy transformatorze zasilającym osiedle
Jaką rezystancję pozsiadają elementy, które obwiodłem na schemacie kolorowymi pisakami?
Małą, znikomo małą, czy może dużą?
Skoro są węzłami według Kirchoffa, a schematyka oparta jest właśnie na prawach Kirchoffa, to sprawdźmy jaką rezystancję może posiadać
węzeł Kirchoffa...
I tutaj "małe zaskoczenie" bo węzeł Kirchoffa rezystancji posiadać nie moze! Po prostu z definicji nie posiada ani rezystancji ani jakichkolwiek innych parametrów elektrycznych... Prawda?
No a schemat to nic innego jak węzły i oczka Kirchoffa. To pierwsza rzecz, którą usiłuję wbić uczniowi do głowy...
Schemat ( prawidłowo odczytany ) mówi, że w obszarach, które obwiodłem na kolorowo, nie ma żadnych elementów dla których określa się
jakiekolwiek parametry elektryczne.
Jak widzisz, nie zrobiliśmy jeszcze ani kroku w kierunku osiedlowego transformatora. No to zastanówmy się czy w ogóle jest sens tam iść...
Schemat mówi o napięciach źródeł... Co by nas jeszcze mogło interesować? Oczywiście rezystancje wewnętrzne. Prawda?
Ale i na ten temat schemat nie milczy. Mówi, że rezystancje wewnętrzne źródeł nie istnieją!
I dopiero na tym etapie rozumowania możemy wyodrębnić trzy połączone równolegle bojlery i rozważać tylko jeden z nich. Przy czym nieważne jest czy zasilane są z tego samego źródła. Nie ważne czy z tego samego transformatora osiedlowego - prawda? ( Ani nawet czy z jednego transformatora osiedlowego )
Ta informacja, naniesiona na schemat ( wspólne źródła zasilania), jest w ogóle niepotrzebna dla rozwiązania tego zadania. Tak, czy nie?
Ale...
Moim zdaniem ( podkreślam, że to tylko moja opinia ) jeśli już została naniesiona. To ważne jest wskazać jakie rozumowanie jest
potrzebne by wyodrębnić podobny układ z większego układu. Np z sieci zasilającej osiedle...
Bo tutaj ( i tylko tutaj ) istnieje spore niebezpieczeństwo, że uczeń, mając przed oczami taki schemat, będzie "szukał go" później.
Rozwiązując inne problemy przed którymi stanie.
Czyli nie sugeruję że trzeba analizować cała siec zasilającą osiedle.
Sugeruję, że trzeba bezwzględnie rozumieć dlaczego tej sieci analizować nie trzeba
A to różnica jest...

[Romekd]

Dzień dobry.

Marku, idąc dalej Twoim tokiem myślenia można byłoby uważać, że nie będziemy w stanie policzyć i zmierzyć prądu pobieranego w naszym domu przez elektryczny bojler, podgrzewający wodę, bez znajomości całej sieci elektrycznej i wszystkich włączonych w nią odbiorników prądu na linii od ostatniego domu do transformatora zasilającego sieć elektryczną naszego osiedla.

No to pójdźmy moim tokiem rozumowania Romku i zobaczmy, czy spotkamy się przy transformatorze zasilającym osiedle
Jaką rezystancję pozsiadają elementy, które obwiodłem na schemacie kolorowymi pisakami?
Małą, znikomo małą, czy może dużą?
Skoro są węzłami według Kirchoffa, a schematyka oparta jest właśnie na prawach Kirchoffa, to sprawdźmy jaką rezystancję może posiadać
węzeł Kirchoffa...
I tutaj "małe zaskoczenie" bo węzeł Kirchoffa rezystancji posiadać nie moze! Po prostu z definicji nie posiada ani rezystancji ani jakichkolwiek innych parametrów elektrycznych... Prawda?
No a schemat to nic innego jak węzły i oczka Kirchoffa. To pierwsza rzecz, którą usiłuję wbić uczniowi do głowy...
Schemat ( prawidłowo odczytany ) mówi, że w obszarach, które obwiodłem na kolorowo, nie ma żadnych elementów dla których określa się
jakiekolwiek parametry elektryczne.
Jak widzisz, nie zrobiliśmy jeszcze ani kroku w kierunku osiedlowego transformatora. No to zastanówmy się czy w ogóle jest sens tam iść...
Schemat mówi o napięciach źródeł... Co by nas jeszcze mogło interesować? Oczywiście rezystancje wewnętrzne. Prawda?
Ale i na ten temat schemat nie milczy. Mówi, że rezystancje wewnętrzne źródeł nie istnieją!
I dopiero na tym etapie rozumowania możemy wyodrębnić trzy połączone równolegle bojlery i rozważać tylko jeden z nich. Przy czym nieważne jest czy zasilane są z tego samego źródła. Nie ważne czy z tego samego transformatora osiedlowego - prawda? ( Ani nawet czy z jednego transformatora osiedlowego )
Ta informacja, naniesiona na schemat ( wspólne źródła zasilania), jest w ogóle niepotrzebna dla rozwiązania tego zadania. Tak, czy nie?
Ale...
Moim zdaniem ( podkreślam, że to tylko moja opinia ) jeśli już została naniesiona. To ważne jest wskazać jakie rozumowanie jest
potrzebne by wyodrębnić podobny układ z większego układu. Np z sieci zasilającej osiedle...
Bo tutaj ( i tylko tutaj ) istnieje spore niebezpieczeństwo, że uczeń, mając przed oczami taki schemat, będzie "szukał go" później.
Rozwiązując inne problemy przed którymi stanie.
Czyli nie sugeruję że trzeba analizować cała siec zasilającą osiedle.
Sugeruję, że trzeba bezwzględnie rozumieć dlaczego tej sieci analizować nie trzeba
A to różnica jest...

Drogi Marku, z całym szacunkiem (wysoko cenię Twoją wiedzę i doświadczenie), ale zasadę działania tranzystorów można tłumaczyć na wiele różnych sposobów, w tym w sposób czysto fizyczny i matematyczny, wypisując setki wzorów i zależności, czyli w sposób zupełnie "niestrawny" dla osób młodych, początkujących i nieco leniwych, oraz można ją też tłumaczyć w sposób praktyczny, ciekawy i wywołujący "zdrowe zainteresowanie", i to nawet tych "mniej ambitnych" słuchaczy... To drugie podejście z dużym powodzeniem stosują Autorzy książki "Sztuka Elektroniki", do nabycia której gorąco zachęcam zarówno osoby początkujące w dziedzinie elektroniki, jak i bardzo doświadczone, gdyż im również książka ta pozwoli przypomnieć sobie zagadnienia nieco już przez nich zapomniane, a bardzo ważne, jeśli nadal zajmują lub pasjonują się elektroniką. Dlatego książkę tę polecam do przeczytania wszystkim osobom zajmującym się, lub dopiero zamierzającym się poważniej zająć elektroniką, osobom, którzy pragną w pełni rozumieć elektronikę i tworzyć własne, dobrze przemyślane układy. Wyobraź sobie Marku, że w książce, a przynajmniej w spisie treści tej książki, nie ma nawet wzmianki o prawie Kirchhoffa (jest wspomniane o nim w przedmowie) i nie ma dużej liczby często nieintuicyjnych i niezrozumiałych (dla wielu) wzorów, takich, których niektórzy uczą się na pamięć, kompletnie nie rozumiejąc zjawisk, w oparciu o które wzory te wyprowadzono...
Pozwolę sobie zacytować mały fragment przedmowy do wydania pierwszego książki "Sztuka Elektroniki" (pierwsze wydanie książki miało miejsce bodajże w roku 1980., moje najnowsze tłumaczenie wydania dwunastego wydrukowano w roku 2022...), Autorów Paula Horowitza i Winfielda Hilla (mam nadzieję że Autorzy książki wybaczą mi publikowanie małych jej fragmentów, celem popularyzowania...).

Idea książki SE.jpg

Chyba w każdym z wydań, w części mówiącej o zasadzie działania tranzystora, pokazywana jest ta sama grafika, co świadczy, że jest ona dobra dla zrozumienia podstaw.


Zakładam więc, że zainteresowani tematem znają zasady mówiące o zachowaniu energii, wiedzą, że prąd przepływa jedynie przez obwody elektrycznie zamknięte, że jeśli do podzespołu elektronicznego (działającego) wpływa prąd, to musi też z niego wypływać, więc suma prądów wpływających i wypływających z tranzystora musi się co do wartości zgadzać, a po uwzględnieniu kierunku przepływu prądów suma ich wszystkich musi wynosić zero. W praktyce przyjęło się, że prąd płynie od "plusa" do "minusa", choć każdy z nas na pewno wie, że w przewodnikach "płyną" tylko elektrony, czyli elementarne cząstki ujemne, oraz że ruch ten nie da się przyrównać do płynącej wody w strumyku, a do przekazywania energii z elektronów na inne elektrony (głównie przez ukierunkowane zderzenia), przez co przepływ samych elektronów jest wolniejszy od przepływu energii (w temperaturze pokojowej elektrony swobodne są w stanie "chaosu", czyli wzajemnych zderzeń, itd., a ich bezruch może występować jedynie w temperaturze zera bezwzględnego i gdy przez przewodnik prąd w danym momencie nie przepływa).
Twoje uwagi uważam jednak za bardzo cenne i proszę o zabieranie w wątku również inne osoby, które chcą się czegoś ciekawego dowiedzieć lub poszerzyć wątek o własną wiedzę. Zainspirowały mnie one do pomiaru rezystancji wewnętrznej używanego zasilacza, przewodów łączących go z płytką z tranzystorami oraz rezystancji połączonych ze sobą gniazd na polu stykowym uniwersalnej płytki stykowej do uruchamiania układów prototypowych, o czym napiszę w kolejnym poście.

Pozdrawiam
Romek

[Romekd]

Zacznę od podania linku do informacji, które mogą się przydać osobom zaczynającym swoją przygodę z elektroniką. Link poniżej:

https://pl.khanacademy.org/science/elec ... erminology

Wracając jeszcze na chwilę do prawa Kirchhoffa, węzłów i oczek sieci - pomierzyłem rezystancje zasilaczy, przewodów i połączeń na polu stykowym (płytce do testowania układów prototypowych). Rezystancja każdego z trzech przewodów z wtykami, łączących układy testowe z zasilaczami wynosiła 51,48 mΩ, co daje 102,96 mΩ na parę. Rezystancja wewnętrzna używanego przeze mnie zasilacza laboratoryjnego w zakresie prądów 0...100 mA wynosiła ok. 0,2 mΩ (przy badaniu zasilacza pracującego z większym prądem osiągała /od zera do ponad 1 A/ 0,5 mΩ), rezystancja pojedynczej linii w polu stykowym wynosiła 45,82 mΩ, co w sumie (dla zasilacza, dwóch przewodów i pola stykowego) daje rezystancję na poziomie ok. 0,15 Ω, co jest wartością 340 razy niższą od rezystancji rezystora o najniższej rezystancji na przedstawionym schemacie (1). Można zatem przyjąć, że na odczyty wyników większy wpływ będą wywierały rozrzuty parametrów użytych rezystorów /o tolerancji 1%/, niż cały obwód zasilania układów. Marek zastanawiał się dlaczego na schemacie przedstawiłem aż trzy tranzystorowe obwody, zamiast przedstawiać je pojedynczo, aby nie "siać zamętu". Zdecydował przypadek, gdyż złożenie układu z jego dokładnym pomierzeniem zajęło mi może z 10 minut, a gdybym tworzył je pojedynczo i pojedynczo mierzył, zajęło by mi to więcej czasu, a napięcie zasilacza w czasie jego pracy oraz mikro spadki napięcia na przewodach mogłyby wpłynąć na wyniki. Tak wyglądała płytka z układem:

Pole stykowe_1.jpg

i w zbliżeniu:

Pole stykowe_2.jpg

Wyniki z moich pomiarów spadków napięcia przeniosłem do arkusza kalkulacyjnego, a to pozwoliło po wstawieniu odpowiednich formuł w inne komórki pokazać wartości prądów kolektorów, baz i emiterów (przez emitery płynie suma prądu bazy i prądu kolektora; w tranzystorze o przewodnictwie npn prąd bazy i kolektora jest prądem wpływającym do tranzystora, a przez emiter wypływa ich suma, dlatego tranzystory tego typu teoretycznie lepiej nadają się jako przykłady do nauki zasady działania tranzystorów bipolarnych, natomiast w tranzystorach pnp mamy dwa prądy wypływające, które są tworzone przez jeden wpływający).

By przedstawiać w tabelach bardzo duże wartości (np. rezystancji oporników w gigaomach) i bardzo małe wartości (np. prądów baz w tranzystorach Darlingtona lub Sziklaiego / https://www.electronics-tutorials.ws/pl ... gtona.html /) w sposób czytelny i tylko liczbowy (bez jednostek poprzedzonych oznaczeniem wielokrotności lub podwielokrotności), bez sięgania po ogromną liczbę zer poprzedzających lub kończących interesującą nas wartość, można w arkuszu kalkulacyjnym użyć formatu "naukowego" liczb. Wówczas wartość np. 10000000 arkusz wyświetli nam jako 10E6 (E w tym przypadku oznacza razy 10 do potęgi szóstej) lub 1,0E7, a wartość 0,000000019 jako 1,90E-8 lub np. 19E-9. Po wybraniu tej opcji wyniki wartości prądów w zestawieniu z wartościami spadków napięć na doprowadzeniach tranzystora będą wyglądały jak poniżej:

Podsumowanie_1A.png

Może jednak bardziej czytelne byłoby wyświetlanie wartości przy potędze liczby wyświetlanej jako 3 (-3) lub jej wielokrotność, czyli 6, 9, 12, 15 (-6, -9, -12, -15), gdyż takie najczęściej stosowane są w elektronice? Poniżej tabela z pokolorowanymi polami pod względem ich wykorzystywania w elektronice:

Wielokrotności i podwielokrotności w elektronice_1.png

Wówczas wartości prądów z mojego pytanie nr 1 wyglądałyby następująco:

Podsumowanie_1B.png

w odróżnieniu od ręcznego wpisywania jednostek do każdej jednej komórki arkusza kalkulacyjnego, którego efekt wygląda następująco (napięcia i prądy; może da się to jakoś zautomatyzować w programie kalkulacyjnym?):

Podsumowanie_1C.png

Jak Koledzy uważacie? Czy stosowanie "naukowego" sposobu prezentowania wartości liczbowych nie skomplikuje zrozumienia tematu początkującym?

Pozdrawiam
Romek

[Romekd]

Czołem.
Kontynuując temat dotyczący zasady działania tranzystorów bipolarnych, to przed rozpoczęciem jakichkolwiek testów i eksperymentów przez osoby zainteresowane i dalszą analizą przedstawianych przeze mnie materiałów i zagadek, proponuję przyjąć kilka założeń wstępnych.

1. Do testów używamy tylko sprawnych elementów, najlepiej jeszcze dokładnie zmierzonych przed rozpoczęciem składania układu testowego. Najlepsze będą tranzystory małej i średniej mocy, krzemowe, o przewodnictwie typu NPN. Tranzystory PNP mogą na początku wydawać się trudniejsze w analizie, gdyż prądy płyną w nich dokładnie w odwrotnych kierunkach niż w tranzystorach typu NPN. Jedno się jednak nie zmienia - przez wyprowadzenie emitera płynie prąd będący sumą prądu bazy i prądu kolektora, w przypadku tranzystorów NPN kierunki przepływu prądów bazy i kolektora skierowane są do wnętrza tranzystora i wypływają z emitera, co oznacza, że na bazie i kolektorze musimy mieć napięcie wyższe (zawsze dodatnie) niż na emiterze, a w przypadku tranzystorów PNP kierunki prądów bazy i kolektora skierowane są na zewnątrz tranzystora a ich suma wypływa (na zewnątrz) przez emiter, zatem napięcia na kolektorze i bazie muszą być ujemne względem emitera. Zgodnie z obowiązującymi regułami prąd płynie od plusa do minusa, choć fizycy (nie tylko) wiedzą, że tak naprawdę w przewodnikach płyną elektrony (płyną wolniej niż prąd elektryczny, gdyż swoją większą energię przekazują kolejnym elektronom, płynąc w kierunku miejsca o dodatnim potencjale, czyli do miejsca gdzie jest ich mniej). Umiejscowienie masy w obwodzie elektrycznym jest kwestią umowną, jednak jest ważna, gdyż napięcia na wyprowadzeniach tranzystora (i większości elementów) z reguły podawane są względem niej!

2. Obwody baza-emiter i baza-kolektor zachowują się jak diody, przy czym przy pracy tranzystora między stanami nasycenia (pełnego włączenia tranzystora) i zatkania (odcięcia, wyłączenia tranzystora, w którym prąd kolektora jest znikomy, możemy nawet przyjąć /na ten moment/, że jest on zerowy) prąd kolektora jest większy tyle razy od prądu bazy ile dokładnie wynosi wzmocnienie prądowe tranzystora. Złącze diodowe baza-emiter zawsze w takim stanie jest przewodzące, a złącze diodowe baza-kolektor pozostaje wyłączone (później rozszerzę model tranzystora z najprostszego do rzeczywistego /Ebersa-Molla/, w którym te pierwsze założenia nie są już takie oczywiste i nieco zaczynają się różnić, w zależności od napięć na poszczególnych wyprowadzeniach tranzystora, np. złącza diodowe baza-emiter i baza kolektor mogą się przy ich zamienionej polaryzacji zachowywać jak diody Zenera, jednak na razie proszę pozostać przy modelu najprostszym).

3. Każdy tranzystor ma parametry dopuszczalne (graniczne, czyli najwyższe napięcia, prądy i moc strat oraz temperatura złącza), których w normalnych warunkach pracy tego elementu nigdy nie wolno przekraczać, chyba że chce się uszkodzić tranzystor...

Poza tymi warunkami pracy, dotyczącymi głównie tranzystorów pracujących we wzmacniaczach sygnałów, możemy również wymienić inne warunki normalnej pracy tranzystorów, jak np. przełączniki (klucze) tranzystorowe, w których typowymi zadaniami tranzystora jest przechodzenie ze stanu pełnego przewodzenia (nasycenia) do stanu pełnego wyłączenia (zatkania), w których prąd kolektora może nie być większy od prądu bazy dokładnie o wartość beta (hFE; wzmocnienia prądowego danego tranzystora), ale do tego przejdę nico później.

CDN

Pozdrawiam
Romek

[Romekd]

W międzyczasie zagadka dla "kumatych" początkujących. Tranzystory można łączyć kaskadowo dla uzyskania większego wzmocnienia prądowego. Można łączyć ze sobą dwa, trzy lub cztery tranzystory w połączeniu Darlingtona lub Sziklaiego, lub w sposoby "mieszane". Poniżej schemat układu z aż czterema tranzystorami i zagadka. Czy tego typu układ ma prawo działać (dlaczego), czy też nie ma prawa działać (dlaczego). W jakim celu w układzie zostały włączone rezystory R2 i R3. Dioda świecąca dla prądu o wartości 10 μA (przy tym prądzie bardzo wyraźnie widać już świecenie struktury LED-a) ma spadek napięcia równy 1,576 V, a przy prądzie 2,5 mA (czyli 250 razy wyższym; przy takim prądzie gdy spojrzy się na diodę z odległości 20 cm, to jeszcze przez dłuższą chwilę (po jej wyłączeniu) widzi się fioletową plamkę...) spadek ten wynosi 1,838 V. Jeśli przyjmiemy, że tranzystory działają w oparciu o ten najprostszy model, to jakie prądy płynęłyby przez bazy, emitery i kolektory każdego z tranzystorów, oraz jakie napięcia występowałyby na doprowadzeniach baz, emiterów i kolektorów poszczególnych tranzystorów. Poniżej schemat do zagadki.

Układ_x_0.png

Wzmocnienia prądowe tranzystorów podane zostały na schemacie.
Kółeczko ze strzałką skierowaną w górę na przedstawionym schemacie przedstawia źródło prądu, w którym wartość prądu wyjściowego można dowolnie ustawiać, oczywiście teoretycznie...

Pozdrawiam
Romek

[Marek7HBV]

Przypomina mi to pierwszy wzmacniacz tranzystorowy który zrobiłem. Były to dwa TG3A jako wtórniki oraz TG50 w WE z głośnikiem od Kolibra w kolektorze i NIC więcej . Pracował z gramofonem Narcyz, a brak regulacji głośności w tych czasach nie był wadą.

[Romekd]

Dziękuję Kolego Marku za odpowiedź. Już myślałem, że do tego wątku nikt nie zagląda...
Ja również w dawnych czasach (byłem jeszcze w podstawówce) wykonałem podobny do pokazanego na schemacie układ z tranzystorami krzemowymi, a robiąc jeszcze jeden bardzo podobny do niego zrobiłem, przez zupełny przypadek, pierwsze swoje "radio", które dobrze łapało stację "Warszawa 1" z fal długich, po przyłożeniu jednego z przewodów do rurki wodociągowej... Obecnie, po pięćdziesięciu ponad latach od tamtego czasu, ponownie wykonałem ten banalnie prosty układ, by przedstawić jego "możliwości"...
Ciekaw jestem czy któremuś z Użytkowników Forum uda się odpowiedzieć na moją zagadkę.
Udzielenie odpowiedzi mogą ułatwić tabelki, które wcześniej zamieściłem w wątku, a teraz podlinkowuję (poniżej).





Pozdrawiam
Romek

[Romekd]

Czołem.
Naprawdę żaden z Szanownych Kolegów nie spróbuje dokonać analizy działania tych kilku tranzystorów, połączonych w małym "pajączku"? Może pytania były zbyt trywialne i nikt nie chce odpowiedzieć jaki jest wynik tej króciutkiej dłubaniny z mojej strony? Układ oczywiście powstał i stoi obok mnie z podłączoną baterią...

Układ_x.jpg

Pozdrawiam
Romek

[Marek7HBV]

Fakt, zbyt trywialne .

[atom1477]

Zagadkę dałeś dla początkujących, a tu takich widocznie brak